有机化合物的红外光谱分析
开课实验室：环境资源楼312
【实验⽬的】
1、初步掌握两种基本样品制备技术及傅⾥叶变换光谱仪器的简单操作； 2、通过谱图解析及⽹上标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的⼀般过程；
3、掌握有机化合物红外光谱测定的制样⽅法，回顾基础有机化学光谱的相关知识。
【基本原理】
原理概述：物质分⼦中的各种不同基团，在有选择地吸收不同频率的红外辐射后，发⽣振动能级之间的跃迁，形成各⾃独特的红外吸收光谱。据此，可对物质进⾏定性和定量分析。特别是对化合物结构的鉴 定，应⽤更为⼴泛。
无焰泄放装置红外吸收法：
类型：吸收光谱法；
原理：电⼦的跃迁：电⼦由于受到光、热、电等的激发，从⼀个能级转移到另⼀个能级的现象。这是因为分⼦中的电⼦总是处在某⼀种运动状态中，每⼀种状态都具有⼀定的能量，属于⼀定的能级。当这些电⼦有选择地吸收了不同频率的红外辐射的能量，发⽣振动能级之间的跃迁，形成各⾃独特的红外吸收光谱。据此，可对化合物进⾏定性和定量分析；
条件：分⼦具有偶极矩。
【仪器与试剂】
1、仪器：
傅⾥叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司，TENSOR 27型; 美国Thermo Fisher公司，Nicolet 6700型）；
压⽚机；
玛瑙研钵；
红外灯。
2、试剂：NaCl窗⽚、KBr晶体，待分析试样液体及固体。
【实验步骤】
1、样品制备
（1）固体样品：KBr压⽚法
在玛瑙研钵将KBr晶体充分研磨后加⼊其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直⾄均匀。在⼀个具有抛光⾯的⾦属模具上放⼀个圆形纸环，⽤刮勺将研磨好的粉末移⾄环中，盖上另⼀块模具，放⼊油压机中进⾏压⽚。KBr压⽚形成后，若已透明，可⽤夹具固定测试； （2）液体样品：液膜法
珍珠岩膨胀炉取⼀对NaCl窗⽚，⽤刮勺沾取液体滴在⼀块窗⽚上，然后⽤另⼀块窗⽚覆盖在上⾯，形成⼀个没有⽓泡的⽑细厚度薄膜，⽤夹具固定，即可放⼊仪器光路中进⾏测试，此法适⽤于⾼沸点液体样品。
2、仪器测试与解析
（1）打开红外光谱测试软件→进⼊测试对话框→背景测试→样品测试→标峰值→打印谱图→取出样品；（2）解析谱图，推出可能的结构式。 （3）查阅萨特勒标准谱图集，直⾄查到与所测试样品红外光谱图完全⼀致的谱图。反相加法器
（4）联⽹⽤分⼦式索引查阅顺序为：化合物分⼦式→化合物英⽂名称→谱图号→谱图。
【数据处理与实验结果分析】
1、简述两种制样⽅法的适⽤范围，仪器操作要点：
KBr压⽚法：适⽤于常温下为固体的物质。固体样应控制浓度，样品的质量分数约占5%；
液膜法：适⽤于常温下为液体的样品。液体样应均匀涂在NaCl晶⽚上，不应过多或过少。
2、解释谱图中主要吸收峰与官能团的关系，重点写出谱图解释过程。
（1）固体样品：
化学式：C3H5NO；微型碾米机
不饱和度：Ω=2（猜测可能有碳碳双键、碳氧双键或者氮氧双键）；
谱图解析：发现在3360cm-1附近有范围很⼤的宽峰，且为双峰，1676cm-1附近有明显吸收。结合以上三者，表明化合物中有氢键（O-H或N-H，可以依稀看出为双峰，故应有两个氢键，
故猜测有-NH2结构，但由于所测结果不是⼗分明显，故只是猜测），1676cm-1的峰可归
属到酰胺键中的C=O伸缩振动（⼀般酰胺中的C=O伸缩振动在1650-1690 cm-1），⽽剩
下⼀个不饱和度则只能归属到碳碳双键，⽽碳碳双键中C-H键伸缩振动的3000cm-1附近
有⼀峰吸收峰。
图1 丙烯酰胺的结构式
结合⽹上分⼦式索引查阅的丙烯酰胺（Propenide）的IR图：
图2 ⽹上分⼦式索引查阅的丙烯酰胺的IR图
可以看出，主要的吸收峰：3360附近的两个双峰、1650附近的峰，与我的测量结果匹配的很好。
所以基本可以断定是丙烯酰胺。
（2）液体样品：
化学式：C6H7N；
不饱和度：Ω=4（猜测可能有苯环）；
谱图解析：发现在3360cm-1附近有范围很⼤的宽峰，且为双峰，表明化合物中有氢键N-H，且应有两个氢键，故应有-NH2结构；3000-3100 cm-1的峰可归属到苯环上的多个C-H键伸缩振动，苯环中碳碳键的伸缩振动在1450-1600 cm-1也有体现。
图3 苯胺的结构式
结合⽹上分⼦式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图：
图2 ⽹上分⼦式索引查阅的苯胺（Aniline）的IR图
可以看出，主要的特征吸收峰：3360cm-1附近的两个宽的双峰、3000-3100 cm-1的峰匹配较好。所以基本可以判断是苯胺。
3、在红外光谱上注出官能团的特征吸收峰（见最后两页）。
【思考题】
1、为什么测试红外光谱选⽤KBr、NaCl制样?有何优缺点?
答：优点：KBr在4000-400cm-1波数（这个波段是常⽤的分析有机物官能团和结构的波段）整个中红外区都没有特征吸收，使⽤KBr制样可以很⼤程度上避免背景⼲扰⽽得到所测样品真实的红外谱图。
NaCl在4000-600cm-1波数范围内也没有特征吸收，因此⽤NaCl制样可以得到4000-600波数范
围内背景很⼩的谱图，有利于分析的准确性；
缺点：NaCl和KBr易受腐蚀，尤其是分析强极性物质如酸、醇、胺等类物质时容易受到腐蚀⽽造成透明度下降⽽背景增强等后果；另外对于600-400cm-1波数的⽆机物等化合物时，使⽤NaCl制样
会影响实验结果的准确性。
2、⽤FT-IR仪测试样品为什么要先测试背景？
答：先测试背景是为了在后续测试样品得到的数据中扣除背景：
样品室中的物质如⼆氧化碳、⽔、残留的测试样品蒸汽等对红外光有吸收，还有即使没有任何吸收仪器本⾝也会产⽣⼀些背景，这些背景会⼲扰数据分析，因此要先测试背景然后在样品测试过程中扣除背景。
3、如何⽤红外光谱鉴定饱和烃、不饱和烃和芳⾹烃的存在？
答：饱和烃的红外光谱很简单，在1200-4000cm?内只有2900cm?附近有C?H振动吸收，若遇到这样的谱
图，基本可以断定是饱和烃。不饱和烃含有3000cm?以上的特征吸收峰，根据化合物的分⼦式，若分⼦为碳氢化合物⽽具有⼀个及以上的饱和度，那么基本可以断定为不饱和烃。芳⾹烃在3000-3100cm?内有特征吸收，并并且同时在900-600cm?有苯环的⾯外弯曲振动，根据⾯外弯曲振动的形式可以判定是否为芳⾹烃以及是什么取代形式的芳⾹烃。
4、醇类、羧酸和酯类的红外光谱有何区别？
答：a、醇类和羧酸具有活泼氢。在液态下，由于氢键的作⽤，醇类的活泼氢⼀般在3200-3400cm-1附近有⼀个很⼤的吸收峰；⽽羧酸则在2500-3300 cm-1附近有⼀个较⼤的吸收峰。另外，羧酸还有羰基吸氯离子含量测定方法
收峰，在1650–1700cm-1之间；在⽓态（游离态）醇在3580-3650 cm-1有较强⽽尖锐的吸收峰，⽽酸
在3500 cm-强⽽尖锐的吸收峰。⽽酯类没有活泼氢；
b、醇在1000-1200 cm-1有碳氧单键特征吸收，羧酸的碳氧单键吸收在1350-1180 cm-1，⽽酯类的碳氧单
键在1000-1300 cm-1。酯类的碳氧单键吸收=C?O?C的吸收在1150-1300 cm-1左右，常⽤来作为酯类
的判断依据；
沪语输入法c、酯类在1740 cm-1左右有强的羰基吸收峰，游离酸的羰基吸收峰在1760 cm-1左右，⽽缔合酸的羰基
吸收峰在1715 cm-1左右。醇没有羰基吸收峰。
【讨论与体会】
红外吸收光谱法是化学特别是有机化学表征化合物的基本表征⼿段之⼀。实验原理较简单，操作也较轻松，通过红外吸收光谱法的压⽚法和液膜法分别定性测出了未知固相和液相化合物。
下⾯是本实验的⼀些经验教训与体会：
1、本实验所⽤仪器，包括NaCl晶体，必须是⼲燥的，因为⽔对红外光有强烈吸收；
2、液体样应均匀涂在NaCl晶⽚上，不应过多或过少；固体样同样应控制浓度，样品质量分数约占5%。
这⼀点是尤为要注意的：特别是液膜法中，对于粘度较⼤的样品（氢键较多），若样品过多，特别是宽的氢键吸收峰会超过两成（纵坐标<0），造成⽆法准确读谱、分析；若样品较少，液膜可能滑向四周，导致所测部分出现⽓泡，出峰过⼩甚⾄⽆峰；
3、使⽤油压机时，直⾄压⼒指⽰到5MPa左右停⽌摇把，保持1分钟；
4、测量时红外仪需要测背景，减少空⽓中其他物质的⼲扰；
5、本实验在通过液膜法测量的过程中，锻炼了我们的耐⼼；在处理数据和对⽐标准图谱的过程中，提⾼
了我们处理数据和定性分析图谱的能⼒。
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